Quale ghisa per la precisione delle lavorazioni

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Questo studio analizza l’opportunità di sostituire la tradizionale ghisa grigia con ghisa sferoidale o vermicolare nella produzione di sezione di impianti di lavorazione o macchine utensili.

È stata condotta un’ampia campagna sperimentale che ha portato a determinare il comportamento meccanico di tali materiali rispetto ai carichi di trazione, fatica e frattura. I risultati mostrano come l’introduzione delle ghise sferoidali o vermicolari nella progettazione degli impianti permetta di migliorarne le caratteristiche meccaniche favorendo l’altissima precisione nelle lavorazioni. Resta tuttavia la necessità di un loro uso equilibrato allo scopo di sfruttarne in modo pieno le diverse proprietà (come resistenza, durezza, peso…).

Stato dell’arte

Per ottenere il massimo livello di accuratezza ed efficienza nelle lavorazioni meccaniche, è spesso necessario affidarsi a soluzioni di progettazione avanzate, come anche a pratiche comuni oppure piccoli espedienti quotidiani. Molte di queste azioni sono direttamente o indirettamente riconducibili all’uso dei materiali, soprattutto in riferimento ad aspetti quali: resistenza, fragilità, durezza, peso, lavorabilità, saldabilità, costo, resistenza alla corrosione, conduttività, resistenza all’usura, conduttività termica. E non è neppure così raro osservare importanti progressi tecnologici direttamente collegati a significativi cambiamenti nei materiali costruttivi. Ciò è evidente, ad esempio, nella moderna tendenza a sostituire i metalli tradizionali (ghise e acciai) con i più leggeri materiali compositi (ad esempio, la fibra di carbonio) per costruire strutture e parti di macchine. Nei componenti in rapido movimento, infatti, la riduzione del peso permette di incrementare velocità e produttività per via della diminuzione delle masse inerziali e relativa riduzione di accelerazioni e decelerazioni in gioco. In tal senso, è interessante ricordare che fino al 70% del tempo totale di lavorazione è talvolta perso nel tempo di trasferimento e posizionamento dell’utensile da taglio. Alleggerire significa accelerare e risparmiare. Inoltre, sono le vibrazioni della struttura della macchina utensile tra le altre importanti cause che limitano le operazioni ad alta velocità e che degradano la precisione di taglio.

In un recente studio si è stimato che, a fronte di una riduzione di peso delle guide verticali e orizzontali del 34% e del 26% rispettivamente, l’effetto di smorzamento delle vibrazioni potesse essere aumentato fino a 5,7 volte senza sacrifici in termini di rigidezza. In questi e molti altri esempi disponibili in letteratura tecnica, il cambiamento ha riguardato la scelta di un materiale del tutto diverso dal precedente, passando di solito dai metalli alle plastiche rinforzate. Tuttavia, questi stessi casi hanno evidenziato come non sia possibile scegliere semplicemente un altro materiale: perché ci siano dei reali vantaggi, è necessario modificare anche il paradigma di progettazione. Ad esempio, il corretto utilizzo di materiali compositi non può prescindere dal fatto di trovarsi in presenza di materiali fortemente anisotropi e di processi produt- tivi alternativi: entrambe le condizioni por- tano a dover imparare un modo nuovo di progettare e costruire. In risposta a ciò, viene qui proposto un approccio diverso. Questa indagine intende dimostrare come modifiche significative possano essere comunque ottenute anche senza sconvolgimenti nella scelta dei materiali, come ad esempio nel caso del passaggio da una ghisa ad un’altra. In tal senso è opportuno fare un po’ di storia.

Fin dall’inizio, la scelta dei materiali nella progettazione delle macchine automatiche e utensili si è sviluppata lungo tre direttive generali: utilizzo di lamiere di ferro a basso costo per il telaio, utilizzo di ghisa pesante per stabilizzare la macchina e, infine, utilizzo di materiali leggeri, come l’alluminio, per una maggiore efficienza delle parti in movimento. Nel corso degli anni ognuno di questi aspetti ha seguito uno specifico percorso di evoluzione tecnica. Riguardo alla ghisa, in particolare, dato che doveva soprattutto garantire del peso a costi molto contenuti, le ricerche sono andata in tale direzione. Sono stati così ottenuti miglioramenti significativi nei processi che hanno permesso di ottenere nel tempo apprezzabili adeguamenti delle leghe alle condizioni di processo (ad esempio, la resistenza ai trattamenti termici, alle deformazioni plastiche) con conseguenti significativi riduzioni nel loro costo. Sono anche migliorate importanti proprietà del materiale (come la resistenza alla corrosione o l’attrito), con cambiamenti nelle proprietà che hanno permesso di rafforzare la loro presenza in tutti i segmenti fondamentali dell’industria moderna. Ciò è di particolare evidenza dove sono applicate severe condizioni ambientali (è il caso del contatto con acqua di mare, oli, acidi o sali), come avviene nell’industria chimica, petrolifera e alimentare o nella costruzione navale.

Allo stesso tempo, in ambito macchine di produzione, è molto difficile trovare qualche proposta interessante rivolta a perfezionare in modo significativo l’utilizzo della ghisa: ciò nonostante che tale materiale sia comunque considerato fondamentale per la costruzione delle macchine utensili. È addirittura raro, tra indagini riguardanti la progettazione di macchine utensili, trovare dettagli sulle proprietà della specifica lega utilizzata per realizzare l’impianto, segno di come l’attenzione sulle proprietà del materiale resti basso. Al contrario, è da notare che oggigiorno una notevole percentuale di ciascuna macchina utensile, non meno del 10-15% in peso, è realizzata in ghisa. Ciò significa che ogni miglioramento nelle proprietà della ghisa potrebbe avere ricadute positive su macchine e processi. Nello specifico, in questo lavoro sarà verificata la possibilità di sostituire la ghisa grigia, tradizionalmente utilizzata per la produzione di parti rilevanti nelle macchine utensili, con ghisa duttile o vermicolare, partendo dalla determinazione delle proprietà meccaniche rilevanti per l’applicazione. Sebbene la ghisa sferoidale sia stata occasionalmente scelta per la realizzazione di parti di macchine utensili, il suo uso è piuttosto limitato. Riguardo la ghisa vermicolare, invece, non è stata rintracciata alcuna esperienza rilevante sul suo uso in questo specifico settore industriale, tanto che al momento tale materiale ne appare del tutto escluso.

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